Bisher präzisester Test der Allgemeinen Relativitätstheorie im extragalaktischen Maßstab Einstein gilt auch auf großen Skalen - scinexx | Das Wissensmagazin
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Bisher präzisester Test der Allgemeinen Relativitätstheorie im extragalaktischen Maßstab

Einstein gilt auch auf großen Skalen

Die Galaxie ESO 325-G004 wirkt als Gravitationslinse - und half damit bei der Überprüfung von Einsteins Relativitätstheorie © ESO, ESA/Hubble, NASA

Einstein behält Recht: Astronomen ist es gelungen, Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie erstmals auch für extragalaktische Entfernungen genau zu überprüfen. Demnach entspricht die Krümmung der Raumzeit durch Massen selbst in großem Maßstab bis auf wenige Prozent den Vorhersagen von Einstein. Spannend ist dies, weil eine Abweichung unter anderem erklären könnte, warum sich das Universum immer schneller ausdehnt, wie die Forscher im Fachmagazin „Science“ berichten.

Die Allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein hat unsere Sicht auf Zeit und Raum verändert – und sie bildet bis heute die Basis unseres physikalischen Weltbilds. Bisher hat die mehr als 100 Jahre alte Theorie alle Tests mit Bravour bestanden, ob im Punkt der Zeitdehnung, des Äquivalenzprinzips oder der sogenannten lokalen Positionsinvarianz.

Bleibt die Gravitationswirkung gleich?

Einsteins Theorie sagt auch präzise voraus, wie stark eine Masse die Raumzeit krümmt. Innerhalb unseres Sonnensystems haben Astrophysiker diese Raumzeitkrümmung bereits überprüft und bestätigt. Doch auf großen Skalen des Kosmos, in Größenordnungen von Milliarden von Lichtjahren, ist bisher weniger klar, ob Einstein Recht behält. Im extragalaktischen Bereich waren die Messungen bisher nur bis auf 20 bis 30 Prozent genau.

Das Spannende daran: Bisher ist unklar, warum sich das Universum heute immer schneller ausdehnt. Eine Erklärung könnte die Präsenz der rätselhaften und bisher hypothetischen Dunklen Energie sein, die als Gegenspieler der Gravitation agiert. Doch es gibt auch Theorien, nach denen es kein Dunkle Energie gibt und sich stattdessen die Wirkung der Gravitation skalenabhängig verändert – die Raumzeitkrümmung der Masse würde im großen Maßstab geringer.

Diese schematische Darstellung zeigt, wie der Lichtweg einer fernen Galaxie im Schwerefeld einer näher gelegenen Vordergrundgalaxie verändert wird, die als Linse fungiert und so die ferne Galaxie heller, aber verzerrt aussehen lässt. Dabei entstehen charakteristische ringförmige Strukturen, die man als Einsteinringe bezeichnet. © ALMA (ESO/NRAO/NAOJ), L. Calçada (ESO), Y. Hezaveh et al.

Einsteinring als Messwerkzeug

Jetzt ist es Thomas Collett von der University of Portsmouth und seinen Kollegen, Einsteins Raumkrümmung erstmals im extragalaktischen Maßstab genauer zu messen. Möglich wurde dies durch einen kosmischen Glücksfall: Die rund 450 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie ESO325-G004 schob sich genau vor eine zweite, weit entfernte Galaxie. Die große Masse der Vordergrundgalaxie krümmt die Raumzeit und verzerrt damit auch das Licht der Hintergrundgalaxie: Es entsteht ein sogenannter Einsteinring.

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Für die Astronomen war dieser Effekt die Chance, Einsteins Relativitätstheorie genauer als bisher zu überprüfen. Denn ESO325-G004 ist eine der bisher nächsten Gravitationslinsen, an ihr lässt sich daher sowohl die Masse der Vordergrundgalaxie als auch das Maß ihrer Raumkrümmung in relativ hoher Auflösung ermitteln. Die Masse von ESO325 ermittelten die Forscher über die Bewegung der Sterne in der Galaxie, die Raumkrümmung über die Größe des Einsteinrings.

Bis auf neun Prozent genau

Das Ergebnis: „Das Ergebnis war genau das, was die Allgemeine Relativitätstheorie voraussagt, mit einer Unsicherheit von nur neun Prozent“, berichtet Collett. Se ermittelten für die Konstante Gamma einen Wert von 0,978 und damit einen Wert, der sehr nah an dem von Einstein postulierten Wert 1 liegt. „Dies ist der bisher präziseste Test der Allgemeinen Relativitätstheorie außerhalb der Milchstraße“, so Collett.

Stimmt Einstein Allgemeiner Relativitätstheorie auch außerhalb unserer Galaxie?© ESO

Für die Kosmologie bedeutet dies: Einsteins Vorhersage zur Raumkrümmung durch Massen scheint auch in größeren kosmischen Maßstäben ihre Gültigkeit zu behalten. Sollte es doch größere Abweichungen geben, dann müssen sie auf Längenskalen von mehr als 6.000 Lichtjahren auftreten. „Das schließt die alternativen Gravitationsmodelle aus, die die beschleunigte Ausdehnung des Kosmos mit Abweichungen von Gamma=1 schon auf galaktischen Skalen vorhersagen“, konstatieren die Wissenschaftler. (Science, 2018; doi: 10.1126/science.aao2469)

(European Southern Observatory (ESO), University of Portsmouth, 22.06.2018 – NPO)

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